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别鲁索夫-扎勃京斯基反应

/Belousov-Zhabotinski reaction/
条目作者李红刚

李红刚

最后更新 2023-10-19
浏览 124
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产生了自组织现象的一类化学振荡反应,是非平衡热力学的经典例子。由苏联化学家B.别鲁索夫[注]和苏联生物化学家A.扎勃京斯基[注]发现。又称BZ反应。

英文名称
Belousov-Zhabotinski reaction
又称
BZ反应
所属学科
系统科学

BZ反应有很多化学反应方式,其中最常见的是当用铈作催化剂时,丙二酸在稀硫酸水溶液中被溴酸盐氧化的反应。

1950年代,别鲁索夫在金属钵离子作催化剂的情况下进行了柠檬酸的溴酸氧化反应。他发现在某些条件下某些组分(如溴离子、钵离子)的浓度会随时间作周期变化,造成反应介质的颜色在黄色和无色之间作周期性地变换,且振荡频率随温度升高而增加。但当时人们普遍不相信会发生化学振荡反应,因而别鲁索夫的这一结果并没有受到重视。

1961年,扎勃京斯基重新研究了这个反应,并用丙二酸代替了柠檬酸,发现丙二酸的溴酸氧化反应也能呈现出这种组分浓度和反应介质的颜色随时间周期变化的现象。利用适当的催化剂和指示剂,介质的颜色变化可更加明显,例如在红色和蓝色之间作周期性变化,反应介质一会儿红,一会儿蓝,再一会儿红,再一会儿蓝,像钟摆一样发生规则的时间震荡。因此这类现象一般被称为化学振荡或化学钟。后来扎勃京斯基等人又发现在某些条件下系统中组分的浓度并非总是均匀分布的,而是可以形成规则的空间分布,出现许多漂亮的花纹,并且在某些条件下花纹会成同心圆或螺旋状向外扩散,像波一样在介质中传播。这就是所谓的扎勃京斯基花纹和化学波。后来发现还有不少化学反应体系能呈现这种化学振荡、浓度花样和化学波现象。这些现象向人们展示了一种化学系统的时间、空间、时间-空间结构。

1969年,比利时学者I.普里戈金[注]提出耗散结构理论。耗散结构理论认为在体系远离平衡态时,即处于非平衡非线性状态时,无序均匀态并不一定稳定。由于自身的非线性动力学机制,无序均匀态可以失去稳定性,而产生宏观时空有序结构,也就是耗散结构。耗散结构理论为解释振荡反应发生提供了重要的理论基础,使BZ反应重新回归研究的焦点。1971年,对振荡反应机理更进一步的阐明被提出,通过俄勒冈振子(Oregonator)模型可以解释BZ反应很多的性质。

类似BZ反应的化学振荡常被称为“化学钟”。事实上,生物体中的“生物钟”也可看作这类化学钟在生物体中的展现。

  • 李如生.非平衡态热力学和耗散结构.北京:清华大学出版社,1986.

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